香港科技大學(xué)（HKUST）物理系許欽教授與機(jī)械及航空航天工程系胡文琪教授聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出一種具高度可編程性且具非對(duì)稱力學(xué)響應(yīng)的新型柔性復(fù)合材料系統(tǒng)。

科研團(tuán)隊(duì)成功將“剪切─堵塞”相變機(jī)制融入高分子聚合物基體，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能系統(tǒng)提供了關(guān)鍵的材料基礎(chǔ)。這類新型復(fù)合材料能夠根據(jù)受力方向產(chǎn)生不同的扭曲和運(yùn)動(dòng)行為，使材料在剪切力作用下顯著變硬，而在其他情況下保持柔軟。

在軟件機(jī)器人、仿生組織及柔性電子等前沿工程領(lǐng)域中，能夠?qū)ν獠看碳ぷ鞒鎏禺愋皂憫?yīng)的材料，是實(shí)現(xiàn)智能功能的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多依賴具有非線性結(jié)構(gòu)或復(fù)雜幾何構(gòu)造的超材料，這些離散結(jié)構(gòu)往往對(duì)缺陷和斷裂極為敏感，限制了其工程實(shí)用性。

有別于傳統(tǒng)方式，許教授和胡教授的研究提出了一種全新設(shè)計(jì)范式，利用“剪切─堵塞”相變物理機(jī)制發(fā)展出柔性復(fù)合材料，展現(xiàn)出獨(dú)特的科學(xué)優(yōu)勢(shì)與工程潛力。這項(xiàng)研究的主要科學(xué)與工程突破包括：

多維度方向控制：研究團(tuán)隊(duì)制備的柔性復(fù)合體在剪切與法向兩個(gè)方向上同時(shí)展現(xiàn)出非互易性力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同加載路徑的方向的靈敏響應(yīng)，并且具備非對(duì)稱材料形狀記憶特性，可進(jìn)行多維度方向控制。

可編程且高韌：有別于傳統(tǒng)脆弱的剛性超材料，柔性復(fù)合材料不僅具有高度可編程的力學(xué)特性，同時(shí)具備出色的抗斷裂能力，展現(xiàn)出高韌性。透過(guò)調(diào)控其內(nèi)在的“剪切─堵塞”相變過(guò)程，可以精確控制材料性質(zhì)，從而自主制定所需力學(xué)響應(yīng)，以滿足不同應(yīng)用需求。

活性智能新材料：研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將“剪切─堵塞”結(jié)構(gòu)與空間調(diào)變的磁性分布相結(jié)合，創(chuàng)造出能自主運(yùn)動(dòng)的“軟件活性固體”。這種活性智能新材料可用作仿生軟件機(jī)器人，在狹小環(huán)境中靈活移動(dòng); 也可以作為智能閥門(mén)，在微流控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)選擇性流控。

從科學(xué)角度而言，該研究創(chuàng)新地結(jié)合顆粒物理學(xué)與高分子材料科學(xué)，建立了具有非互易力學(xué)性質(zhì)的新型軟物質(zhì)體系；在工程應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)為制備各類具有方向特異性響應(yīng)的柔性復(fù)合材料提供了一種既高效且通用的設(shè)計(jì)策略，此研究不僅為實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能奠定了基礎(chǔ)，更為新一代智能及節(jié)能材料的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了全新途徑。

這項(xiàng)跨學(xué)科研究由科大物理系和機(jī)械及航空航天工程系的研究人員共同領(lǐng)導(dǎo)，相關(guān)成果已發(fā)表于《自然．材料》。

附論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02407-3